居里夫人发现了放射性钚和镭元素的故事,于1895年在德国维尔茨堡大学开始。
当时,50岁的物理学教授伦琴发现了一种前所未知的新射线——X射线。这个发现,揭开了新物理学的序幕。也吸引了很多人跟随着他的脚步,开始探索过去不为人知的射线。这些人当中有一个幸运儿,就是法国巴黎工艺学校的物理学教授贝克勒尔,他于1896年发现含有铀元素的矿物,能发射出与X射线类似的穿透力很强的射线。比如,能使荧光物发光,使包裹严实的照相底板感光。这个新发现很快就激励了一名年轻女性科学家的兴趣。
伦琴和透射其夫人手骨的世界第一张X光片
贝克勒尔
由此,故事的重心就转移到当时28岁、一年多前刚把姓名从玛丽·斯科罗多夫斯卡改为玛丽·居里、并刚刚产下一个未来诺贝尔奖获得者女婴、自己又开始考虑获取博士学位的年轻母亲那里。这位母亲就是后来两获诺贝尔奖的居里夫人,而那个女婴就是1935年与丈夫约里奥·居里一起获得诺贝尔奖的伊雷娜·约里奥·居里。
新婚的居里夫妇
年轻的居里夫人在为博士论文做准备期间阅读文献时,注意到了贝克勒尔的工作,并认为这是个很有意思,并且别人还没太重视的课题,值得继续进行下去。所以,她与丈夫皮埃尔·居里商定之后,决定选择是否铀元素之外的其他物质也具有放射性的问题作为自己博士论文题目。后面的故事大家都知道了,夫妻俩在皮埃尔·居里所在的巴黎理工学校申请到一个简陋的实验室,然后利用一些含有放射性物质的矿渣进行实验,历经两年多的努力,最终于1898年4月先后从这些矿渣中发现并分离出了两种新元素:钋(Polonium)和镭(Radium),从而完成了从默默无闻到举世瞩目的华丽转身,也揭开了科学发展的新篇章。
居里夫妇分离出的十分之一克发着蓝色光芒的放射性元素镭
以往介绍居里夫妇工作的各种材料里,大都强调他们工作的艰苦性,包括工作条件以及工作本身有多么艰苦和艰难,赞美夫妻俩、特别是居里夫人的毅力是多么的顽强,云云。这些当然也是事实,是他们的研究工作取得成功的必要条件。但这远不是故事的全部,甚至,笔者以为,也不是故事的关键情节。有毅力的人多得是,为什么偏偏是他们取得了成功?所以,故事的最主要情节应该是另外的东西。那就是:居里夫妇有着非同寻常的敏锐目光,以及巨大的创造性和技巧性方法,而这种目光、创造和技巧,风云际会,恰好此时此地都集中在了居里夫妇身上。
居里夫妇和他们的实验室
贝克勒尔对物质天然放射性的发现,在今天看来也是极其重大的发现,为什么当时却没有得到科学界的重视?这绝对是一件十分令人吃惊的事情。仔细考察历史,就会发现个中原因固然是因为当时的人们对X射线的兴趣更加浓厚,以及囿于传统理论,对天然放射性本身的非同寻常意义还没有深刻理解有关,但也与贝克勒尔工作的相对粗糙性有关。而他的工作之所以粗糙,主要是因为当时还没有获得精确测量放射性的技术手段,这就使得他的工作只能停留在在定性阶段(用照相底板获得放射性存在的证明),而无法深入下去。因而也就没能到达与物质结构这个核心问题联系在一起的程度,所以无人关注也就在情理之中了。
而居里夫妇不同,他们不仅仅是在埋头苦干,他们工作最关键的地方,首先是用敏锐的目光发现了贝克勒尔工作的重要意义。其次是通过一整套实验仪器装置精心和巧妙的设计,从而实现了对放射性物质之放射性强弱度的精确测量。正因为如此,他们才能发现与铀元素不同的其他放射性元素,并且能从含量极低的矿石中精准的把这些新物质分离出来。要知道,靠传统的化学分离办法,根本不可能把它们分离出来,更不可能分辨出各种不同放射性物质有什么区别。
居里夫妇精心设计的组合实验系统
那么,居里夫妇的创新性到底体现在哪儿呢?这就与居里和他的哥哥前期关于压电晶体的工作高度相关了。居里兄弟在1891年前后发现了晶体的压电效应,并创造出一种计量压电电流的装置。这个装置在居里夫妇的新工作中发挥了奇特的作用,即实现了对放射性物质辐射强度的精确计量。关于其具体的实验设计系统,确实在当时的条件下是一个既精巧又简单的构思,却能完成当时其他人做不到的事情。关于具体的设计思路,可参看下面的电路示意图,此处就不再赘述了。有兴趣的读者可以参考居里夫人的自述和其他相关的研究结果。
从居里兄弟发明的晶体压电计改造的压电称
在行将结束本文的时候,值得再一次强调指出的是,居里夫妇的工作,不完全是靠埋头苦干就能成功的,他们对科学问题的敏锐感知,和无与伦比的创造性和技巧性,在当时的条件下,的确堪称奇迹。所以,居里夫妇不仅是有坚强毅力的科学家,更是有着科学远见和高超创造性的科学家。
居里夫妇的实验设计电路示意图
最后:伦琴1901年获得了第一届诺贝尔物理学奖,贝克勒尔和居里夫妇1903年共同获得了第三届诺贝尔物理学奖。